變壓器熱保護(hù)設(shè)計(jì)

PAGEPAGE30課題：變壓器熱保護(hù)設(shè)計(jì)專業(yè)：學(xué)號：姓名：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)日期：成績：目錄TOC\o"1-4"\h\z\u一、設(shè)計(jì)目的 2二、設(shè)計(jì)要求 3三、實(shí)現(xiàn)過程 43.1變壓器運(yùn)行溫度概述 43.2變壓器測溫方法介紹 43.3變壓器繞組的熱源和散熱分析 53.4變壓器繞組的熱源 53.5變壓器繞組的散熱分析 63.6求解的微分方程和邊界條件 63.7監(jiān)測量的選取 83.8電力變壓器熱保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 93.9變壓器熱保護(hù)系統(tǒng)的組成及其工作原理 93.10提高變壓器熱保護(hù)裝置可靠性的措施 113.11變壓器熱保護(hù)系統(tǒng)的算法 123.12電力變壓器熱保護(hù)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)研究 163.13單線數(shù)據(jù)溫度傳感器 173.14終端采集器電路設(shè)計(jì) 20四、總結(jié) 26五、附錄 27六、參考文獻(xiàn) 29設(shè)計(jì)目的自動化儀表與過程控制課程設(shè)計(jì)是電氣工程專業(yè)一項(xiàng)重要的實(shí)踐性教育環(huán)節(jié)，是學(xué)生在校期間必須接受的一項(xiàng)工程訓(xùn)練。以期通過該課程設(shè)計(jì)加強(qiáng)學(xué)生如下能力的培養(yǎng)：1、提高學(xué)生對所學(xué)自動化儀表和過程控制的原理、結(jié)構(gòu)、特性的認(rèn)識和理解，加深對所學(xué)知識的鞏固和融會貫通。2、針對一個(gè)小型課題的設(shè)計(jì)開發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生查閱參考書籍資料的自學(xué)能力，通過獨(dú)立思考，學(xué)會分析問題的方法。3、綜合運(yùn)用專業(yè)及基礎(chǔ)知識，解決實(shí)際工程技術(shù)問題的能力。4、培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，相互合作的團(tuán)隊(duì)精神，提高其綜合素質(zhì)，獲得初級工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為將來從事專業(yè)工作建立基礎(chǔ)。變壓器是整個(gè)電力系統(tǒng)的發(fā)、變、送、用環(huán)節(jié)中最重要、最昂貴的設(shè)備之一，其運(yùn)行的安全性和可靠性直接影響整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行鏈完整性、關(guān)系到變電企業(yè)，廣大用戶利益和人民群眾的生活。電力變壓器的故障，不僅會造成供電系統(tǒng)意外停電而導(dǎo)致電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益減少，且可能造成用戶的重大經(jīng)濟(jì)損失和抱怨，因此這些設(shè)備的可靠性及運(yùn)行狀況直接決定整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，也決定了電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及供電質(zhì)量和可靠性。電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了依據(jù)。電力變壓器的內(nèi)部故障主要有過熱性故障、放電性故障及絕緣受潮等。統(tǒng)計(jì)表明在全部故障中過熱性故障占63％；高能放電性故障占18．1％；過熱兼高能放電性故障占10％；火花放電占7％；受潮或局部放電占1．9％，因此研究變壓器的過熱故障具有很大實(shí)用價(jià)值。二、設(shè)計(jì)要求1、查閱資料，深入掌握過程的工作原理及控制要求，繪制出生產(chǎn)過程工藝流程圖。2、設(shè)計(jì)控制方案。(1)根據(jù)對象特性及控制要求，完成控制變量的選擇、控制結(jié)構(gòu)選擇、控制儀表選擇等方案設(shè)計(jì)。(2)繪制完整的系統(tǒng)工藝流程圖，按工程要求標(biāo)注所有儀表和變量。3、采用MATLAB/Simulink工具，完成系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證以下內(nèi)容：(1)系統(tǒng)跟蹤能力、抗干擾能力的仿真。(2)控制器參數(shù)整定過程。4、節(jié)流裝置和調(diào)節(jié)閥的計(jì)算。根據(jù)工藝數(shù)據(jù)和有關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，分別列出儀表數(shù)據(jù)表中調(diào)節(jié)閥及節(jié)流裝置計(jì)算數(shù)據(jù)表與結(jié)果。5、設(shè)計(jì)控制程序：反饋控制可采用PID控制，前饋控制可采用比例控制，被控過程可采用一階慣性環(huán)節(jié)。6、整個(gè)工程設(shè)計(jì)工作基本完成后，要對所有設(shè)計(jì)文件進(jìn)行整理，并編制設(shè)計(jì)文件目錄。并對設(shè)計(jì)思想、方案確定、仿真過程及結(jié)果分析，組態(tài)設(shè)計(jì)等作出說明；對所完成的設(shè)計(jì)作出評價(jià)，對自己整個(gè)設(shè)計(jì)工作中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)進(jìn)行總結(jié)。三、實(shí)現(xiàn)過程1、系統(tǒng)概述3.1變壓器運(yùn)行溫度概述變壓器是一種按電磁感應(yīng)原理工作的電氣設(shè)備，變壓器的兩個(gè)相互絕緣著的繞組，繞在一個(gè)鐵芯上，通過電磁耦合達(dá)到改變電壓，輸送電能的目的。變壓器在運(yùn)行中由于存在著銅損和鐵損，因此運(yùn)行中的變壓器不可避免的存在著發(fā)熱問題。為了監(jiān)視變壓器的溫度，變壓器都設(shè)有溫度指示儀表，目前變壓器溫度計(jì)指示的是變壓器頂層油溫，一般不得超過95℃，運(yùn)行中的監(jiān)視油溫定為85℃。運(yùn)行中的變壓器在環(huán)境溫度為40℃時(shí)，其溫升不得超過55℃(溫升是指變壓器的頂層油溫減去環(huán)境溫度1，頂層油溫如果超過了95℃，其內(nèi)部繞組的溫度就要超過繞作絕緣物的頂層油溫界限，長期過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)要適當(dāng)降低監(jiān)視溫度，具體數(shù)值由試驗(yàn)確定。頂層油溫一般油溫規(guī)定值見表2．11一般變壓器的主絕緣(繞組的絕緣)是A級絕緣(紙絕緣)，最高使用溫度為105。C，一般繞組溫度比油面溫度高10一15℃。我國變壓器的溫升標(biāo)準(zhǔn)，均以環(huán)境溫度40℃為準(zhǔn)，同時(shí)確定平均溫度為15℃，故變壓器頂層油溫不得超過95℃，溫度過高，絕緣老化嚴(yán)重，絕緣油劣化快，影響使用壽命，變壓器的各部分溫升極限值見表2．23.2變壓器測溫方法介紹目前常用的溫度監(jiān)測方法主要有以下幾種。(1)感溫電纜式測溫：將感溫電纜與被測元件平行安放，當(dāng)電纜溫度超過固定溫度值時(shí)，感溫電纜被短路。(2)熱敏電阻式測溫：利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來測量溫度?？梢愿鶕?jù)電阻變化值來顯示溫度值。(3)熱電偶式測溫：根據(jù)熱電效應(yīng)原理，將兩個(gè)成分不同的導(dǎo)體連接在一起，由溫度差產(chǎn)生電動勢來測量溫度。(4)數(shù)字溫度傳感器測溫：數(shù)字溫度傳感器是在20世紀(jì)80年代中期問世的。目前，數(shù)字溫度傳感器已成為集成溫度傳感器中最具活力和發(fā)展前途的一種新產(chǎn)品。數(shù)字溫度傳感器內(nèi)部包含溫度傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器、存儲器(或寄存器)和接口電路。下面對上述四種方法進(jìn)行比較：感溫電纜式測量方法，一方面造價(jià)高，另一方面系統(tǒng)僅能一次性使用，不能測出被測元件的實(shí)際溫度值，同時(shí)電纜數(shù)量多，系統(tǒng)安裝及維護(hù)工作不夠方便，設(shè)備易損壞。熱敏電阻式和熱電偶測溫方式，雖然已可以進(jìn)行在線測量設(shè)備溫度值，但每個(gè)元件都需要獨(dú)立的接線，布線復(fù)雜且熱敏電阻易損壞、維護(hù)量大，傳感器不具各自檢功能，需要經(jīng)常校驗(yàn)，不適于總線布置。數(shù)字溫度傳感器，它不僅可實(shí)現(xiàn)溫度測量的實(shí)時(shí)性，更由于它有較高的集成度，能將溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號，直接與數(shù)字控制設(shè)備接口，適合于總線布置，因此可以大大降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置的復(fù)雜性。它是當(dāng)前溫度傳感器中最為先進(jìn)的一種。因此，本系統(tǒng)采用美國DALIAS公司的產(chǎn)品可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DSl8820實(shí)現(xiàn)變壓器溫度信號的采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變壓器的溫度監(jiān)測。3.3變壓器繞組的熱源和散熱分析電力變壓器是輸變電系統(tǒng)中的主要設(shè)備，而繞組溫度直接決定其使用壽命。對于A級絕緣的變壓器，溫度每增加6℃，絕緣老化速度增加一倍，變壓器工作壽命減少一半。隨著電力事業(yè)的發(fā)展，大容量超高壓變壓器得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。為了保障變壓器運(yùn)行安全可靠，延長變壓器的使用壽命，測量變壓器繞組的溫度己顯得十分重要。本節(jié)對變壓器繞組的熱源和散熱進(jìn)行分析。3.4變壓器繞組的熱源變壓器繞組的熱源主要是繞組的電阻和繞組內(nèi)部的渦流損耗，其表達(dá)式為：3.1其中，I、R、分別為變壓器繞組的電流、電阻和渦流損耗。計(jì)算中，單位熱源q=P／V，P為測量得到的有功損耗；V為繞組體積。3.5變壓器繞組的散熱分析變壓器繞組的散熱主要是對流換熱，包括箱壁外側(cè)與外界空氣的自然對流散熱和油流與箱壁內(nèi)側(cè)和繞組的強(qiáng)制對流散熱。對流散熱主要取決于兩者之間的溫差、對流換熱系數(shù)和換熱而積。由于箱壁的幾何形狀比較規(guī)則，自然對流換熱系數(shù)口采用均值對計(jì)算結(jié)果影響不大。a由下式得到:3.2其中，日為箱壁高度；G為葛拉曉夫數(shù)；P為普朗特?cái)?shù)；C和n為常數(shù)；為空氣導(dǎo)熱系數(shù)。由于受許多因素的影響，如油的物理特性、繞組的生熱率和幾何形狀、各繞組的空間位置、邊界條件和油的流動方式等，油流與繞組的強(qiáng)制對流散熱相對復(fù)雜一些，其中各繞組的空間位置決定了它們和油之間的相差很大，不能用均值近似。油的流動方式?jīng)Q定了換熱的效果，可分為層流和湍流，兩者流動狀態(tài)和換熱效果相差較大，須通過雷諾數(shù)R判斷：R=3.3其中，為流體密度：為流體流速；L為特征尺寸；為流體絕對粘度。當(dāng)R<2300時(shí)，流動方式為層流；超過時(shí)為湍流。由此可知，必須將變壓器繞組溫度場和絕緣油流場問題聯(lián)立方可得到理想結(jié)果。3.6求解的微分方程和邊界條件首先進(jìn)行4點(diǎn)假設(shè)：1）穩(wěn)態(tài)：當(dāng)發(fā)熱與散熱達(dá)到熱平衡時(shí)，繞組及油的溫、速度分布不隨時(shí)間變化；2）常數(shù)：油的物理特性，如動力粘度、密度、比熱恒定不可壓縮；3)繞組的發(fā)熱是唯一熱源，且單位時(shí)間單位體積發(fā)熱量為常數(shù)，傳熱系數(shù)均勻；4)外界空氣溫度恒定。油的流動和散熱，其溫度場和速度場受質(zhì)量、動量和能量傳遞的共同支配，由下列方程組描述:a．連續(xù)性方程3.4b．x方向的動量微分方程3.5c．y方向的動量微分方程3.6d．能量微分方程3.7其中，u、為單位體積油x和y方向上的速度分量；c為油的比熱；為繞組的導(dǎo)熱系數(shù)；t為單元體積油的溫度；P為單元體積油的壓強(qiáng)；F、F只為單元體積油所受的x和y方向上力的分量；為流體絕對粘度。由溫度場和流場聯(lián)立迭代求解，邊界條件由溫度場邊界條件：3.8和流場邊界條件:,,u=03.9組成，其中為箱壁的導(dǎo)熱系數(shù)；為空氣與箱壁外側(cè)之間的自然對流換熱系數(shù)：為外界空氣溫度；q為繞組的生熱率。為油的入口初始速度；為出口的壓強(qiáng)；、為靜止壁面(包括箱壁內(nèi)側(cè)和繞組在與油接觸的地方)表面的單元體積油x和y方向上的速度分量。求解過程是先將溫度場和流場離散為若干單元上節(jié)點(diǎn)的自由度，再將a、b、c、d4式轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的變分問題，引入上述邊界條件后，采用交叉迭代法求解。首先假定流體的速度與繞組的溫度序列，計(jì)算出箱壁外側(cè)與外界空氣的自然對流散熱量和箱壁內(nèi)側(cè)、繞組與油流的強(qiáng)制對流散熱量的總和(up總散熱量1與總的生熱量比較，若兩者不等，則修正所設(shè)的流體速度與繞組的溫度序列初值，重新計(jì)算總散熱量，直到與總生熱量相等。這時(shí)的溫度和速度序ydlip為欲求的溫度場和流場。3.7監(jiān)測量的選取故障診斷需要對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為了更加客觀準(zhǔn)確的使用在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，使分析診斷結(jié)果更加完整和接近實(shí)際情況，我們應(yīng)該具備以下分析思想：1、與標(biāo)準(zhǔn)的對比：相應(yīng)量同國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)量的比較；與行業(yè)規(guī)范、規(guī)程的技術(shù)指標(biāo)的比較；生產(chǎn)廠家的技術(shù)規(guī)范的比較；2、縱向?qū)Ρ龋喊ㄍ辉O(shè)備不同時(shí)期監(jiān)測到的數(shù)據(jù)歸算到同一條件下進(jìn)行比較：同一設(shè)備的當(dāng)前與歷史數(shù)據(jù)比較；同一設(shè)備檢修前后“指紋”比較；同一設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)和與離線試驗(yàn)參數(shù)比較(中試結(jié)果)；同一設(shè)備隨時(shí)間推移、運(yùn)行環(huán)境和氣候變化的設(shè)備狀態(tài)信的比較。若數(shù)據(jù)在時(shí)間上有一定的積累時(shí)，可有效地反映設(shè)備狀態(tài)的變化趨勢。3、橫向?qū)Ρ龋号c同期出廠的同類型設(shè)備運(yùn)行特性對比分析。油浸式大型電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備。對其運(yùn)行溫升狀態(tài)的監(jiān)測十分重要。要在變壓器各部分溫升達(dá)到其溫升限之前發(fā)現(xiàn)變壓器溫度異常，就必須能預(yù)測出變壓器運(yùn)行時(shí)的正常溫度。當(dāng)實(shí)測溫度與預(yù)測的正常溫度的誤差越來越大時(shí)，可認(rèn)為變壓器溫度異常。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比較發(fā)出三種形式的警報(bào)：預(yù)警(包括小修、中修、大修)，報(bào)警和緊急控制。2、設(shè)計(jì)與分析3.8電力變壓器熱保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案根據(jù)電力變壓器熱模型等效熱路圖，系統(tǒng)對所確定的測溫點(diǎn)進(jìn)行溫度的在線監(jiān)測。經(jīng)DSl8B20采樣得到的數(shù)字信號后經(jīng)現(xiàn)場單片機(jī)作數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過RS485／232接口送給上位機(jī)并對各變壓器的電流和溫度監(jiān)測值作進(jìn)一步處理、儲存、顯示。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比較發(fā)出三種形式的警報(bào)：預(yù)警(包括小修、中修、大修)，報(bào)警和緊急控制。由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知預(yù)警溫度線為70℃，當(dāng)溫度在其附近波動(經(jīng)驗(yàn)值為±5℃)，時(shí)間持續(xù)一周則發(fā)出小修命令，時(shí)問持續(xù)二周發(fā)出中修命令，時(shí)間持續(xù)三周發(fā)出大修命令；報(bào)警線為80℃，若溫度超出該溫度線10分鐘內(nèi)系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出報(bào)警命令；緊急控制線為85℃，那么當(dāng)溫度超出該線更短的時(shí)間內(nèi)就由單片機(jī)要進(jìn)行緊急控制，經(jīng)驗(yàn)值為2s內(nèi)。其中，預(yù)警和報(bào)警由上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)，緊急控制由離現(xiàn)場較近處理速度較快的單片機(jī)來完成。本系統(tǒng)采用“分散一集中一再集中”結(jié)構(gòu)，需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、制表、打印、繪圖、報(bào)警等，同時(shí)，又要對現(xiàn)場裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，完成各種規(guī)定操作，達(dá)到集中管理的目的。由于單片機(jī)具有體積小、價(jià)格低廉、可應(yīng)用于惡劣工業(yè)環(huán)境的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用單片機(jī)作為下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場控制。在這些應(yīng)用中，單片機(jī)是直接面向被控對象底層的，加之單片機(jī)的計(jì)算能力有限，難以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，因此在功能比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理的工作是由功能強(qiáng)大的主控IPC機(jī)來完成的。通常以IPC機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)為下位機(jī)，二者之間有著大量的數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)也將采用這種設(shè)計(jì)方案，由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集及對裝置的控制，而由上位機(jī)完成各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理及對單片機(jī)的控制。3.9變壓器熱保護(hù)系統(tǒng)的組成及其工作原理計(jì)算機(jī)保護(hù)裝置目前主要是以微處理器(或單片微處理器)為基礎(chǔ)的數(shù)字電路構(gòu)成的，所以通常又稱為微機(jī)保護(hù)。它的核心是中央處理單元CPU及其數(shù)字邏輯電路和實(shí)時(shí)處理程序。微機(jī)保護(hù)一般包含硬、軟件兩部分，硬件包括從被保護(hù)元件取得信息的傳感器、微機(jī)主控系統(tǒng)、出口回路、打印接口、通訊接口以及開關(guān)量輸入部分等。軟件包括監(jiān)控程序、功能程序、打印程序等。以下就硬、軟件系統(tǒng)各單元的結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行具體說明。3.9.1硬件部分硬件部分主要包括數(shù)據(jù)采集單元、微機(jī)主控單元、開關(guān)量(數(shù)字量)輸入，輸出單元、人機(jī)接口單元和通信接口單元。圖2．2示出了硬件系統(tǒng)的總體框圖。1.數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)采集單元是將從被保護(hù)元件的電流互感器、電壓互感器或其它變換器上取得的二次模擬電量，變換成微機(jī)主控單元能夠處理的數(shù)字量。本系統(tǒng)采用美國DALLAS公司的產(chǎn)品可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DSl8820實(shí)現(xiàn)變壓器溫度信號的采集，輸出為數(shù)字信號無需A／D轉(zhuǎn)換電路。2.微機(jī)主控單元 微機(jī)主控單元是微機(jī)保護(hù)裝置的核心部分。當(dāng)實(shí)時(shí)的采樣數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)后，微機(jī)根據(jù)由給定的數(shù)學(xué)模型編制的計(jì)算、邏輯程序?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)作實(shí)時(shí)的計(jì)算分析、判斷是否發(fā)生故障，故障的范圍、性質(zhì)，是否應(yīng)該跳閘等，然后決定是否發(fā)出跳閘命令，是否給出相應(yīng)信號，是否應(yīng)打印結(jié)果等等。由微機(jī)主控單元所執(zhí)行的上述功能，決定了一般采用EEPROM或EPROM來保存程序、整定值和常數(shù)，用RAM來存放采樣數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)計(jì)算處理的數(shù)據(jù)和結(jié)果。時(shí)鐘電路為保護(hù)裝置的實(shí)時(shí)顯示和各種事件記錄提供時(shí)間基準(zhǔn)，它具有獨(dú)立的振蕩器及專用的充電電池，當(dāng)保護(hù)裝置掉電時(shí)，它依然能正常運(yùn)行。鍵盤、顯示器、串行口和打印機(jī)作為人一機(jī)信息交流的接口，用于操作人員控制和監(jiān)測裝置的工作狀況。CPU是微機(jī)主控單元的核心，近年來單片機(jī)以其可靠性高、性能優(yōu)越、體積小、價(jià)格低和工作溫限寬等優(yōu)點(diǎn)，成為各檔次微機(jī)保護(hù)的理想中央處理單元。3.人機(jī)接口單元人機(jī)接口單元主要是由打印機(jī)、作為上位機(jī)的PC機(jī)等組成，完成打印、整定值的設(shè)定、修改及顯示、裝置功能設(shè)置、狀態(tài)顯示和指令設(shè)置等人機(jī)交互任務(wù)。4.動作執(zhí)行單元微機(jī)保護(hù)裝置發(fā)出的跳閘命令和中間信號等經(jīng)光電隔離器件帶動中問繼電器，最后由中間繼電器的觸點(diǎn)再帶動交流接觸器執(zhí)行相應(yīng)的功能。5.通信接口單元近年來隨著變電站綜合自動化的逐步實(shí)現(xiàn)，對保護(hù)裝置的通信要求越來越高。在綜合自動化的分層系統(tǒng)中，微機(jī)保護(hù)裝置除完成保護(hù)功能外，還要向站主機(jī)傳送其動作信息、事件記錄和故障報(bào)告等信息。PC機(jī)和單片機(jī)之間的通信選用串行總線RS．485實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中，PC機(jī)作為主控機(jī)，多個(gè)單片機(jī)構(gòu)成的終端檢測部分作為從機(jī)。主機(jī)使用查詢方式與多個(gè)從機(jī)通信，從機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換則只能通過主機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。整個(gè)通信模塊的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分：硬件部分的設(shè)計(jì)主要是主控機(jī)PC機(jī)的485通信接1：3電路及系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)模塊的設(shè)計(jì)：軟件部分的設(shè)計(jì)包括PC端軟件設(shè)計(jì)和單片機(jī)通信節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。3.9.2軟件部分軟件部分可分為兩大組成部分：上位機(jī)程序和下位機(jī)程序。上位機(jī)程序主要完成整個(gè)變壓器熱保護(hù)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)顯示、數(shù)字濾波、報(bào)警分析、故障記錄及數(shù)據(jù)打印等功能。它通過可視化界面實(shí)現(xiàn)人與變壓器熱保護(hù)系統(tǒng)的對話，顯示各傳感器的實(shí)際測量值并記錄變壓器故障信息，接收操作人員輸入的指令。下位機(jī)程序主要包括這樣幾大部分：系統(tǒng)初始化、溫度數(shù)據(jù)采集子程序、報(bào)警子程序、顯示部分等。初始化程序完成對各端口、通訊端口、LED等的初始化工作；溫度數(shù)據(jù)采集子程序完成對各路DSl8820數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和整理，報(bào)警子程序檢測是否存在報(bào)警信號；顯示部分完成對終端采集器重要信息的顯示。上位機(jī)程序即PC端程序采用VB6．0制作，要求人機(jī)界面友好，界面簡潔，功能完善，下位機(jī)程序即單片機(jī)端采用C51進(jìn)行開發(fā)。3.10提高變壓器熱保護(hù)裝置可靠性的措施3.10.1對元器件損壞引起裝置可靠性問題的分析和相應(yīng)措施變壓器熱保護(hù)裝置是一個(gè)電路和結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜的裝置，其主要電路部件均采用中大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路器件，雖然這些器件在其它領(lǐng)域中的大量實(shí)踐已表明其損壞率是很低的，但由于本保護(hù)裝置是在強(qiáng)電磁環(huán)境中長期連續(xù)工作，并且責(zé)任重大，對萬一出現(xiàn)的元器件損壞仍需考慮對策；而且除了起主要作用的數(shù)字部件外，還有為數(shù)不少的模擬元器件，所以提高元器件可靠性的措旌應(yīng)考慮數(shù)字部件和模擬元器件兩個(gè)方面。一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)，首先要求原理正確，設(shè)計(jì)合理，并通過篩選采用優(yōu)質(zhì)元器件。元器件可能導(dǎo)致的任何拒動和誤動都是不能接受的。所以在設(shè)計(jì)上要求元器件損壞時(shí)不能誤動，并且能立即發(fā)現(xiàn)和報(bào)警，以便迅速采取措施予以修復(fù)，使保護(hù)在該動作時(shí)不至于拒動。微機(jī)保護(hù)裝置對其元器件進(jìn)行自動檢測的目的便在于此。微機(jī)保護(hù)裝置特有的工作方式和很強(qiáng)的處理能力為實(shí)現(xiàn)自動檢測提供了方便。對裝置中平時(shí)工作在“靜態(tài)”的外圍部件，如出口驅(qū)動電路、出口繼電器等，由于微機(jī)保護(hù)中這部分的電路比較簡單，制造時(shí)容易保證其較高的可靠性，同時(shí)還可以利用微機(jī)的強(qiáng)處理功能對其進(jìn)行定時(shí)功能檢查：對裝置中平時(shí)工作在“動態(tài)”的核心部件，如CPU、EPROM、EEPROM、RAM等等，無論電力系統(tǒng)有無故障，這些硬件都處在同樣的工作狀態(tài)中，也就是說，總在不停地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳遞、運(yùn)算和判斷，因此元器件損壞會及時(shí)表現(xiàn)出來?？傊?，由于微機(jī)可以實(shí)現(xiàn)功能很強(qiáng)的在線甚至實(shí)時(shí)的自動檢測，在絕大多數(shù)情況下，元器件的故障都能及時(shí)被檢測出來，并且可以自動采取相應(yīng)措施，不會引起保護(hù)誤動或拒動。3.10.2對因干擾引起裝置可靠性問題的分析和相應(yīng)措施由于微機(jī)保護(hù)裝置整機(jī)電路日趨微型化，元件擁擠，線路復(fù)雜，加上工作頻率較高(達(dá)數(shù)兆赫茲)，且工作電平很低(如數(shù)字部件工作電壓僅5v)，所以自身干擾不容忽視；此外，由于繼電保護(hù)裝置的工作環(huán)境，電磁干擾是極其嚴(yán)重的。這些干擾的特點(diǎn)是頻率高，幅度大，因而可以順利躲過各種分布電容的藕合：另一方面這些干擾持續(xù)時(shí)間短，模擬式靜態(tài)保護(hù)裝置可以用延時(shí)來躲過這些干擾，而微機(jī)保護(hù)裝置由于計(jì)算機(jī)的工作是在時(shí)鐘節(jié)拍的嚴(yán)格控制下以較高速度同步進(jìn)行的，不能簡單地設(shè)置延時(shí)電路，這就增加了干擾問題的嚴(yán)重性。所以提高微機(jī)保護(hù)裝黃可靠性的重點(diǎn)是在抗干擾上。微機(jī)保護(hù)裝置既有作為核心部分的數(shù)字部分又有作為外圍部分的模擬部件，干擾對模擬電路和數(shù)字部件所造成的后果是不同的。模擬電路在干擾作用下往往使開關(guān)電路誤翻轉(zhuǎn)，在沒有完善閉鎖措施時(shí)會導(dǎo)致誤操作；數(shù)字電路受作用往往造成數(shù)據(jù)或地址傳送錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致微機(jī)運(yùn)行故障或功能障礙。針對上述情況，本保護(hù)裝置應(yīng)采取如下的抗干擾措施：1．采取各種隔離、屏蔽、接地、合理布局和配線以及減弱電源線傳遞干擾等方法，使變壓器熱保護(hù)裝置不受外界干擾；2．利用數(shù)字電路軟硬件技術(shù)的長處，采取以下針對性措施，防止竄入的干擾導(dǎo)致誤動和拒動等嚴(yán)重后果：1)通過輸入通道的冗余對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾辯識：2)通過設(shè)置超時(shí)自動復(fù)歸電路防止程序運(yùn)行出軌導(dǎo)致的CPU進(jìn)入死循環(huán)或卡死(飛掉)；3)在保護(hù)各個(gè)功能程序執(zhí)行過程中，反復(fù)進(jìn)行校核。這是因?yàn)楦蓴_是隨機(jī)和短時(shí)的，如果事先規(guī)定滿足多重條件時(shí)才能發(fā)出出口命令，干擾造成多重條件都能滿足的概率就會非常小。3.11變壓器熱保護(hù)系統(tǒng)的算法電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障信號中除了穩(wěn)態(tài)基波分量外，還有豐富的暫態(tài)分量。快速、準(zhǔn)確的提取故障信號中的基波分量是提高繼電保護(hù)動作速度的重要手段。為此，本章對繼電保護(hù)中一些常用算法，如采樣值算法、半周積分算法、傅氏算法及最小二乘算法進(jìn)行了分析比較，并結(jié)合本系統(tǒng)中數(shù)字信號的特點(diǎn)，提出最小二乘改進(jìn)算法為適合本系統(tǒng)的最優(yōu)算法。3.11.1變壓器數(shù)據(jù)采樣及微機(jī)保護(hù)的常用算法本系統(tǒng)采用可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DSl8820實(shí)現(xiàn)變壓器溫度信號的采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變壓器的溫度監(jiān)測。該溫度傳感器直接輸出數(shù)字信號，故省去了后繼的信號放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換部分。但由于采樣所得到的是信號的瞬時(shí)值，通常疊加有噪聲和不必要的頻率分量，這就需要通過一定的算法對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)的功能。算法是研究微機(jī)保護(hù)的重點(diǎn)之一。目前已提出的算法有很多種，分析和評價(jià)各種不同算法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是精度和速度。速度又包括兩個(gè)方面：一是算法所要求的采樣點(diǎn)數(shù)(數(shù)據(jù)窗長度)，二是算法的運(yùn)算工作量。精度和速度又總是矛盾的，若要計(jì)算精確則往往要利用更多的采樣點(diǎn)和進(jìn)行更多的計(jì)算工作量，所以研究算法的實(shí)質(zhì)是如何在速度和精度兩方面進(jìn)行權(quán)衡。此外，有些算法本身具有數(shù)字濾波的功能，有些算法則需配以數(shù)字濾波器一起工作，因此評價(jià)算法時(shí)還要考慮它對數(shù)字濾波的要求。微機(jī)保護(hù)的算法有很多種，任何一種算法必須根據(jù)被保護(hù)元件的數(shù)學(xué)模型、故障信號的特征及保護(hù)功能的要求來確定?，F(xiàn)有的微機(jī)保護(hù)算法大體有以下幾種：采樣值算法采樣值計(jì)算法是利用采樣值的乘積來計(jì)算電流、電壓、阻抗的幅值和相角等電氣參數(shù)的方法，由于這種方法是利用2—3個(gè)采樣值推算出整個(gè)曲線情況，所以屬于曲線擬合法。這種算法的特點(diǎn)是計(jì)算的判定時(shí)間較短(小于T／2)。1.兩采樣值積算法以電流為例，設(shè)時(shí)刻電壓、電流的采樣值為3.6而另一時(shí)刻（為兩采樣值的時(shí)間間隔)的采樣值為3.7取兩采樣值的乘積經(jīng)適當(dāng)?shù)慕M合、變換、化簡可得3.8為簡化計(jì)算，可選擇適當(dāng)?shù)牟蓸娱g隔，使=T／4，則有3.9如同時(shí)測出和時(shí)刻的電流和電壓、和、，同上述推導(dǎo)類似可得出電壓的有效值U，從而可求出測量阻抗的模Z和幅角。這種算法要求采樣間隔時(shí)間精確等于T／4，否則若采用任意兩點(diǎn)相鄰的采樣值，從原理上說雖然也可算出相應(yīng)的有效值，但算式復(fù)雜，勢必延長算法的計(jì)算時(shí)間，從而限制了這種算法應(yīng)用的廣泛性；而且該算法沒有濾波作用，且受直流分量影響最大。2.三采樣值積算法此算法是利用三個(gè)連續(xù)的等時(shí)間間隔的采樣值中兩兩相乘，通過適當(dāng)?shù)慕M合消去項(xiàng)以求出采樣值的幅值和相位的方法。同上，設(shè)在后再隔一個(gè)為，此時(shí)的電流采樣值為4.0這三個(gè)采樣值的乘積經(jīng)組合，再考慮簡化計(jì)算的緣故，取泌，可得4.1依照前述同樣的方法，可求得Z值和值。三采樣值積算法比二采樣值積算法的計(jì)算量大，但所需的數(shù)據(jù)窗短一些；另外，此法能消除直流分量影響，但對三次諧波敏感。二、半周積分算法半周積分算法的依據(jù)是：4.2即正弦量的半周絕對值積分正比于幅值，從而半周積分算法可用下式表示：4.3式中，S——半周內(nèi)k個(gè)采樣值的總和；——第i個(gè)采樣值，且;——半周內(nèi)的采樣數(shù)；——第一個(gè)采樣值的初相角；——S與的比值，且這種算法由于用采樣值求和來代替積分，所以會帶來誤差，此誤差隨而變化；而且所需的數(shù)據(jù)窗長度為10ms，顯然較長；但該算法有一定的濾除高頻分量的能力，因?yàn)榀B加在基頻成份上的幅度不大的高頻分量在半波積分過程中，其對稱的正負(fù)半周互相抵消，剩余未被抵消的部分占總和的比重就減少了，但它不能抑制直流分量，因此對于一些要求不高的電流、電壓保護(hù)可采用這種算法。三、傅氏算法傅氏算法假定被采樣的信號是一個(gè)周期性時(shí)間函數(shù)，除基波外還含有不衰減的直流分量和各次諧波，可表示為：4.4式中，n——諧波的次數(shù)，n=0,1,2,…;——基波角頻率；，——第n次諧波的正弦和余弦分量的幅值。由傅里葉變換，可得n次諧波分量的實(shí)、虛部的模值、為：4.54.6由此則可得模值4.7這種算法在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)時(shí)，是對離散的采樣值進(jìn)行運(yùn)算，則有：4.84.9其中，為第k個(gè)采樣值；N為一個(gè)周期中的采樣數(shù)。該算法具有有效濾除各次諧波的優(yōu)點(diǎn)，但由于是用離散值累加代替連續(xù)積分，所以計(jì)算結(jié)果要受到頻率變化的影響；此外，該算法的數(shù)據(jù)窗是一個(gè)周期T，計(jì)算必須在一個(gè)周期后才能得到結(jié)果，響應(yīng)速度較慢。四、最小二乘法最小二乘算法最早由KarlGauss提出，用于估計(jì)行星的軌道。早在20世紀(jì)70年代，人們就開始研究最小二乘算法在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中的應(yīng)用問題，至今己提出了大量的方法，并仍是人們關(guān)注的課題。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電流、電壓等故障信號中除了穩(wěn)態(tài)的基波分量外，還有非周期分量和諧波分量等暫態(tài)噪聲?？焖佟?zhǔn)確地提取故障信號中的基波分量是提高繼電保護(hù)動作速度的重要手段。為此提出了大量的算法，最小二乘算法就是其中的重要方法。故障信號的N個(gè)采樣值可以表示為：5.0式中：為采樣周期；,分別為信號中基波分量的幅值和初相角；為噪聲中的諧波分量；為了在有暫態(tài)噪聲的情況下估計(jì)基波分量的相量，最小二乘算法將暫態(tài)噪聲用以下模型表示：5.1將式(3．6)中的正弦函數(shù)展開后，就可得最小二乘估計(jì)的計(jì)算式：5.2式中：H為計(jì)算矩陣：,分別為采樣值和估計(jì)參數(shù)向量；基波向量計(jì)算公式為；系數(shù)矩陣A定義為：5.3最小二乘算法的系數(shù)矩陣A和計(jì)算矩陣H都可以通過離線計(jì)算獲得。并保存在保護(hù)裝置中。如果只求取基波向量，則只需H矩陣的前2行，此時(shí)完成一次最小二乘算法的計(jì)算量為2N次乘法加2N一2次加法，完全可以滿足保護(hù)算法的實(shí)時(shí)性要求。3.12電力變壓器熱保護(hù)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)研究根據(jù)發(fā)電廠變壓器分布的實(shí)際情況和特點(diǎn)，本文研制的電力變壓器熱保護(hù)系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)采用“分散一集中一再集中”的方案。系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4．1所示。它包括以下幾個(gè)部分。(1)傳感器處于系統(tǒng)最基層的是各傳感器，即溫度傳感器。根據(jù)變壓器的實(shí)際分布情況，將它們以“分散”的形式布置在需要檢測的變壓器的各測溫點(diǎn)處，采集各點(diǎn)溫度。(2)終端采集器終端采集器是監(jiān)測系統(tǒng)中信息傳輸和處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，處于承上啟下的地位，即：一方面，它對一定數(shù)量的溫度傳感器輸出的信息進(jìn)行收集整理，并完成必要的保護(hù)功能，起著“集中”的作用；另一方面，為了完成對來自所有傳感器的信息的處理，監(jiān)測系統(tǒng)中需要適當(dāng)分散布置多個(gè)終端采集器，這些終端采集器輸出的信息再傳送給其上位機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通訊，終端采集器需要具有數(shù)據(jù)通訊接口?？紤]到傳輸距離和抗干擾能力等因素，在終端采集器上采用了RS-485串行接口，以RS-485串行通訊協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通訊。終端采集器按其容量范圍、變壓器實(shí)際分布狀況合理分布。整個(gè)系統(tǒng)所允許的終端采集器最大數(shù)量是由所使用RS-485通訊芯片的驅(qū)動能力來決定的?？紤]到對終端采集器可能有不依賴上位機(jī)而獨(dú)立工作的要求，還為各終端采集器配置了數(shù)字顯示單元，以循環(huán)顯示各傳感器采集到的數(shù)據(jù)和時(shí)間等信息。(3)上位機(jī)上位機(jī)接收來自各終端采集器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行必要的分析、判斷和顯示，對整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理，以實(shí)現(xiàn)“再集中”。它完成的任務(wù)有：①循環(huán)訪問各終端采集器，并對采集器的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集：②顯示發(fā)電廠內(nèi)電力變壓器及相應(yīng)溫度傳感器分布位置；⑨實(shí)時(shí)顯示各傳感器數(shù)據(jù)；④通過程序擴(kuò)展，可完成全廠變壓器管理。本監(jiān)測系統(tǒng)中，上位機(jī)采用的是工控機(jī)。由于工控機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置為RS．232接口，而終端采集器采用的是RS．485串行接口，因此需要配置一個(gè)接口轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)現(xiàn)RS一485和RS．232接口問的轉(zhuǎn)換。3.13單線數(shù)據(jù)溫度傳感器數(shù)字溫度傳感器，它不僅可實(shí)現(xiàn)溫度測量的實(shí)時(shí)性，更由于它有較高的集成度，能將溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號，直接與數(shù)字控制設(shè)備接口，適合于總線布置，因此可以大大降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置的復(fù)雜性。本系統(tǒng)采用的是美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單線總線式數(shù)字溫度傳感器DSl8820，它是在20世紀(jì)90年代中期問世的。單線數(shù)字溫度傳感器DSl8820可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微機(jī)處理，每片DSl8820含有唯一的系列號，在一條總線上可掛接多個(gè)DSl8820芯片。從DSl8820讀出的信息或?qū)懭隓Sl8820的信息，僅需要～條數(shù)據(jù)線(單線)來傳輸。讀寫及溫度變換功率來源于單線。下面對DSl8820特性和工作原理作以簡要介紹。1)DSl8820的特性·單線接口：僅需一根單線與MCU連接。·無需外圍元件?！す╇婋妷悍秶鸀?．0V-5.5V。·測溫范圍為-55—125，當(dāng)電源電壓在3．OV—5．5V時(shí)，在-10一+85范圍內(nèi)，可確保測量誤差小超過±O．5；在．55-+125范圍內(nèi)，最大測量誤差也不超過±2?！?-12位二進(jìn)制溫度讀數(shù)，可通過RAM中的CONFIG寄存器的可編程溫度分辨率位R0．R1進(jìn)行選擇。·用戶可自設(shè)定溫度報(bào)警上下限，且其值是非易失性的。·報(bào)警搜索命令可識別哪片DSl8820超溫度限值。·具有電源反接保護(hù)電路。2)DSl8820引腳及功能DSl8820的封裝如圖4．2所7示,,(PR35封裝)。三個(gè)引腳的意義為：GND：地：DQ：數(shù)據(jù)輸入，輸出腳(單線接口，可作寄生供電)；：電源電壓。3)DSl8820的工作原理DSl8820數(shù)字溫度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4．3所示。它由4個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件組成：①64位激光ROM。64位激光ROM從高位到低位依次由8位CRC、48位序列號和8位家族代碼(28H)組成；②溫度靈敏元件；③非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL?？赏ㄟ^軟件寫入用戶報(bào)警上下限值；④配置寄存器。配置寄存器為中間結(jié)果暫存器中的字節(jié)4。配置寄存器可以設(shè)置DSl8820溫度轉(zhuǎn)換的精度?？梢栽O(shè)置成精度為9位、10位、11位、12位。上電缺省的分辨率為12位精度。用戶可根據(jù)需要改寫配置寄存器以獲得合適的分辨率。DSl8820的測溫原理如圖4．4所示。低溫度系數(shù)振蕩器用于產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率，高溫度系數(shù)振蕩器則相當(dāng)于轉(zhuǎn)換器，能將被測t轉(zhuǎn)換成頻率信號．圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DSl8820就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)問由高溫度系數(shù)振蕩器來決定。每次測量前，首先將-55℃所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1、溫度寄存器中。在計(jì)數(shù)門關(guān)閉之前若計(jì)數(shù)器已關(guān)至零，溫度寄存器中的數(shù)值就增加0.5℃。然后，計(jì)數(shù)器置入新的數(shù)值，再對時(shí)鐘計(jì)數(shù)，然后減至零，溫度寄存器值又增加0.5℃。只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉，就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存值達(dá)到被測溫度值。這就是DSl8820的測溫原理。DSl8820在溫度變換過程中，DQ線上必須提供足夠的功率。為保證溫度變換期間DSl8820能得到足夠的供電電流，寄生電源供電方式在電路設(shè)計(jì)時(shí)需使用一個(gè)MOSFET將DQ線接至+5V，且需多采用CPU的一個(gè)管腳，回路設(shè)計(jì)復(fù)雜，軟件設(shè)計(jì)麻煩。而外部供電方式，無需這種強(qiáng)上拉，總線上主機(jī)不需強(qiáng)制上拉便在溫度變換期間使DQ線保持高電平，回路和軟件設(shè)計(jì)簡單。本系統(tǒng)中溫度傳感器電路采用的就是外部電源供電方式。DSl8820單線通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)序。因此系統(tǒng)對DSl8820的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DSl8820(發(fā)復(fù)位脈沖)；發(fā)ROM功能命令；發(fā)存儲器操作命令：處理數(shù)據(jù)。3.14終端采集器電路設(shè)計(jì)終端采集器是整個(gè)系統(tǒng)最核心的部件，它以AT89S52單片機(jī)為核心，由主電源電路、溫度采集電路、通訊電路及顯示電路幾個(gè)部分組成，負(fù)責(zé)完成采集溫度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)結(jié)果、并以RS．485通訊協(xié)議與上位機(jī)通訊等功能。終端采集器具有顯示功能是考慮到現(xiàn)場中存在將終端采集器作為獨(dú)立設(shè)備使用的情況，為此，將終端采集器設(shè)計(jì)為可獨(dú)立工作，即通過4位數(shù)碼管將采集的數(shù)據(jù)顯示出來。本系統(tǒng)以LED溫度顯示、蜂鳴器和繼電器作為溫度控制輸出單元，以DSl8820作為溫度傳感器。每一個(gè)終端采集器可外掛8條DSl8820單線。一套系統(tǒng)中每一個(gè)終端采集器都有一個(gè)唯一的地址編碼，地址編碼由采集器上地址開關(guān)來確定。報(bào)警溫度設(shè)定通過4個(gè)按鍵輸入P2I/O口，同時(shí)P3口將設(shè)定的報(bào)警溫度值送到上位機(jī)上顯示，在P0口上還連接了兩個(gè)兩位LED顯示電路，用來顯示各種工作方式下輸入／輸出溫度值，以方便電力變壓器操作人員掌握變壓器工作狀態(tài)。報(bào)警電路由一只三極管構(gòu)成驅(qū)動放大，然后外接蜂鳴器構(gòu)成。終端采集器原理框圖如圖4．6所示。系統(tǒng)工作原理如下：DSl8820進(jìn)行現(xiàn)場溫度測量，將測量數(shù)據(jù)送入AT89S52P1經(jīng)單片機(jī)處理后顯示溫度值，并與設(shè)定的報(bào)警溫度上、下限值比較，若高于設(shè)定上限值或低于設(shè)定下限值則蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，繼電器動作控制電力變壓器的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)溫度。終端采集器采用AT89S52單片機(jī)為控制核心，AT89S52具有8kB的可編程Flash存儲器，256B的內(nèi)部RAM作為數(shù)據(jù)存儲器。AT89S52單片機(jī)是一種低功耗、高性能的CMOS8位單片機(jī)，它具有MCS一51系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，并且在指令和管腳封裝上與MCS-51系列單片機(jī)相兼容，同時(shí)片內(nèi)具有Watchdog功能，當(dāng)程序由干某種干擾而死機(jī)時(shí)，系統(tǒng)可以可靠復(fù)位，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。AT89S52各端口分配方式如下：內(nèi)部并行端口P2.0-P2.5用于向動作執(zhí)行單元發(fā)送現(xiàn)場控制信號。端口P1.0-P1.5用于終端采集器與溫度傳感器之間的單總線數(shù)據(jù)傳輸。LED數(shù)碼管顯示電路和單片機(jī)的地址編碼均采用端口P0，由兩片多路模擬開關(guān)CD4053來切換。端口P3.0，P3.1用于串行RS-485通訊。單片機(jī)4位鍵盤輸入電路及相應(yīng)2個(gè)指示燈和2路電磁閥控制電路均采用P2．0～P2．5來實(shí)現(xiàn)，由一片多路模擬開關(guān)CD4053來切換。通過4個(gè)按鍵來實(shí)現(xiàn)對各傳感器工作狀態(tài)、工作啟停時(shí)問及溫控方式等的設(shè)置，并由指示燈指示鍵盤當(dāng)前的輸入狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)變壓器熱保護(hù)系統(tǒng)的時(shí)間溫度聯(lián)合控制。由于本系統(tǒng)需要鍵盤數(shù)較少，該模塊和單片機(jī)連接的4個(gè)端口直接提供對各按鍵的控制信號。時(shí)鐘電路由外接石英晶體振蕩器和電容構(gòu)成的三點(diǎn)式振蕩電路及內(nèi)部反向放大器構(gòu)成，時(shí)鐘頻率為11．0592MHz?？紤]到一臺終端采集器要連接多個(gè)傳感器，且距離較遠(yuǎn)，為此增加了驅(qū)動接口電路，由光電耦合器件連接傳感器，以提高采集器的抗干擾能力和可靠性。3.14.1主電源電路主電源為監(jiān)測系統(tǒng)各個(gè)元件提供可靠、穩(wěn)定的電源。監(jiān)測系統(tǒng)中采用DC5V電源，分成完全獨(dú)立的兩路，供給CPU、光耦、溫度傳感器、各芯片等。電路圖如圖4．7。主電源電路的輸入為交流電壓，為了保證能夠讓系統(tǒng)工作在穩(wěn)定情況下，延長使用壽命，并考慮系統(tǒng)實(shí)際抗干擾需求，交流電壓選擇36V左右。外部電源引入后，先經(jīng)由整流橋整流并濾波后引入各穩(wěn)壓模塊(芯片)的輸入端。電源由一片輸入電壓為36V、輸出電壓為5v的DC／DC電源模塊組成。其中兩個(gè)完全隔離的+5V直流電源，分別供給光耦隔離兩側(cè)元器件。監(jiān)測系統(tǒng)+5V電源采用的是03-24S05電源模塊，其基本參數(shù)如下：輸入電壓范圍18～36V，輸出電壓5V，輸出額定負(fù)載電流0.6A，具有完善的過載、過壓保護(hù)能力。3.14.2溫度傳感器數(shù)據(jù)采集電路溫度傳感器數(shù)據(jù)采集電路主要完成對終端采集器所帶的各溫度傳感器DSl8820的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。由于每一個(gè)DSl8820有唯一的系列號，多個(gè)DSl8820可以存在于同一條單線上。經(jīng)驗(yàn)證明，距離在300米以內(nèi)時(shí)，每個(gè)單線上驅(qū)動20個(gè)DSl8B20不會出現(xiàn)讀數(shù)故障。但考慮到現(xiàn)場實(shí)際情況，每個(gè)單線上要求驅(qū)動DSl8B20個(gè)數(shù)5個(gè)以內(nèi)。這樣做主要是考慮了以下幾點(diǎn)：(1)一個(gè)傳感器故障很容易引起同一單線上其它傳感器無法正確使用，為避免這種故障擴(kuò)大化，同一單線上所帶傳感器個(gè)數(shù)不應(yīng)過多。(2)現(xiàn)場實(shí)際安裝時(shí)只將DSl8B20安裝在變壓器各測溫點(diǎn)處，綜合考慮DSl8B20的布置，每個(gè)終端采集器所需帶的DSl8B20并不是很多。以國電公司寶雞第二發(fā)電有限責(zé)任公司工程為例，最多的也只是乒8個(gè)，目前這的8個(gè)傳感器分布在八路單線上，平均每個(gè)單線僅驅(qū)動一個(gè)DSl8B20。(3)有利于系統(tǒng)抗干擾。每個(gè)單線上所需驅(qū)動的DSl8B20數(shù)量過多，會出現(xiàn)元件間的數(shù)據(jù)干擾問題。系統(tǒng)中DSl8B20數(shù)據(jù)采集電路如圖4．8所示：為了加大通訊的安全距離，每路單線采用了4．7的上拉電阻，加大驅(qū)動電流。根據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，每一個(gè)微處理器端口在連有8個(gè)傳感器的時(shí)候，正常的安全距離為300m；但是由于現(xiàn)場條件所限，我們采用的安全距離應(yīng)當(dāng)<50m。這樣做主要有這樣幾點(diǎn)原因：(1)最大可能留有安全裕量：(2)考慮到現(xiàn)場環(huán)境，有利于系統(tǒng)抗電磁場干擾；(3)通過對各個(gè)終端采集器進(jìn)行合理的布局，完全能滿足現(xiàn)場需要。6片DSl8B20數(shù)據(jù)線DO直接與AT89S52的P1端口相連，其采集的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)端口P1傳輸?shù)紺PU內(nèi)；各DSl8820的電源線由系統(tǒng)+5V模塊提供，從而構(gòu)成外部電源供電模式?？紤]到當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行中，數(shù)據(jù)傳輸線及傳感器本身一旦發(fā)生電源短路，則會直接危及整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的安全，造成系統(tǒng)崩潰。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在每個(gè)DSl8B20采集模塊上加裝了電源保護(hù)。電源保護(hù)原理圖如圖4.9所示，其工作原理是：當(dāng)電源無短路時(shí)，正常輸出+5V左右電壓：當(dāng)出現(xiàn)電源短路時(shí)，BG2導(dǎo)通，BGl截止，不再輸出+5V電源。3.14.3工業(yè)控制系統(tǒng)中，往往要求用最少的信號線來完成通訊任務(wù)。目前主要采用RS-232、RS-485串行接1：3總線。RS-232串行通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負(fù)載，因此通信距離受到很大限制，一般通信距離不超過15m。此外，RS-232串行接1：3采用單端信號傳輸方式，其抗干擾能力較差?？紤]到RS-232串行接口的固有缺點(diǎn)以及終端采集器數(shù)量多、分布范圍大、距離主機(jī)較遠(yuǎn)等實(shí)際情況，本監(jiān)測系統(tǒng)采用RS-485串行總線來構(gòu)成終端采集器與主機(jī)的